KR20030052045A - Method for fabricating capacitor of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for fabricating a capacitor of a semiconductor device is provided to eliminate impurities of a capacitor, and to prevent oxidation caused by penetration of oxygen by adding reductive gas to oxidative gas in a heat treatment process. CONSTITUTION: An interlayer dielectric(23) having a contact hole is formed on a substrate(20). A contact plug(22) is formed in the contact hole. A capacitor lower electrode(25) is formed on the interlayer dielectric adjacent to the contact plug so that the capacitor lower electrode comes in contact with the contact plug. A capacitor dielectric layer(26) is formed on the capacitor lower electrode. A heat treatment process is performed in which the reductive gas is added to the oxidative gas. A capacitor upper electrode is formed on the capacitor dielectric layer.

Description

반도체소자의 커패시터 제조방법{method for fabricating capacitor of semiconductor device}Method for fabricating capacitor of semiconductor device

본 발명은 반도체소자에 대한 것으로, 특히 반도체소자의 커패시터 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing a capacitor of the semiconductor device.

이하, 첨부 도면을 참조하여 종래 반도체소자의 커패시터 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a capacitor manufacturing method of a conventional semiconductor device will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 종래의 방법에 따라 형성된 반도체소자의 커패시터의 구조단면도이다.1 is a structural cross-sectional view of a capacitor of a semiconductor device formed according to a conventional method.

도 1에 도시한 바와 같이 종래 커패시터 형성방법은 실리콘기판(10)의 일영역에 소오스영역(11)과 드레인영역과 게이트전극을 포함한 트랜지스터를 형성하고, 트랜지스터를 포함한 실리콘기판(10)전면에 층간절연막(12)을 증착하고, 소오스영역(11)이 드러나도록 콘택홀을 형성하고, 콘택홀내에 폴리플러그(13)를 형성한다.As shown in FIG. 1, in the conventional capacitor forming method, a transistor including a source region 11, a drain region, and a gate electrode is formed in one region of the silicon substrate 10, and an interlayer is formed on the entire surface of the silicon substrate 10 including the transistor. The insulating film 12 is deposited, a contact hole is formed so that the source region 11 is exposed, and a poly plug 13 is formed in the contact hole.

그리고 폴리플러그(13)와 접하도록 그에 인접한 층간절연막(12)상에 베리어메탈층(14)을 형성하고, 베리어메탈층(14)을 포함한 층간절연막(12)상에 커패시터 하부전극(15)을 형성하고, 커패시터 하부전극(15)을 감싸도록 커패시터 유전체막(16)을 증착한다.The barrier metal layer 14 is formed on the interlayer insulating layer 12 adjacent to the polyplug 13, and the capacitor lower electrode 15 is disposed on the interlayer insulating layer 12 including the barrier metal layer 14. The capacitor dielectric layer 16 is deposited to surround the capacitor lower electrode 15.

이후에 산화성 기체인 O2나 N2O기체를 이용하여 열처리를 진행한다.Thereafter, heat treatment is performed using an oxidizing gas such as O 2 or N 2 O gas.

이때 도1에 도시한 바와 같이 커패시터 하부전극(15)을 통해 산소가 베리어메탈과 폴리플러그(13)에 침투하여 폴리플러그(13) 상부가 산화되는 문제가 발생하여 저항이 증가할 우려가 있을 뿐만아니라, 커패시터 유전체막(16)내에 존재하는 카본 불순물이 원활하게 모두 제거되지 않는 문제가 있다.At this time, as shown in FIG. 1, oxygen penetrates through the barrier metal and the polyplug 13 through the capacitor lower electrode 15, resulting in a problem that the upper portion of the polyplug 13 is oxidized, thereby increasing resistance. However, there is a problem that all of the carbon impurities present in the capacitor dielectric film 16 are not removed smoothly.

다음에 커패시터 유전체막(16)을 감싸도록 그 상부에 커패시터 상부전극(17)을 형성한다.Next, the capacitor upper electrode 17 is formed on the capacitor dielectric film 16 so as to surround the capacitor dielectric film 16.

상기와 같은 종래 반도체소자의 커패시터 제조방법은 다음과 같은 문제가 있다.The capacitor manufacturing method of the conventional semiconductor device as described above has the following problems.

커패시터 유전체막을 형성한 후 산화성 기체를 이용하여 열처리를 진행하는데 이때 산소원자가 커패시터 하부전극을 지나 폴리플러그까지 침투하여 폴리플러그 상부를 산화시킨다. 이에 의해서 커패시터의 저항이 증가하게 되는 문제가 발생된다.After the capacitor dielectric film is formed, heat treatment is performed using an oxidizing gas. At this time, oxygen atoms penetrate through the capacitor lower electrode to the poly plug to oxidize the upper part of the poly plug. This causes a problem that the resistance of the capacitor increases.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로 특히, 열처리 공정시 환원성 기체를 첨가하므로써 커패시터의 불순물을 제거하고 산소의 침투에 의한 산화를 방지하여 공정을 안정화시키기에 알맞은 반도체소자의 커패시터 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in order to solve the above problems, in particular, by the addition of a reducing gas during the heat treatment process to remove the impurities of the capacitor and prevent the oxidation by oxygen infiltration to manufacture a capacitor of a semiconductor device suitable for stabilizing the process The purpose is to provide a method.

도 1은 종래방법에 따라 제조된 반도체소자의 커패시터 구조단면도1 is a cross-sectional view of a capacitor structure of a semiconductor device manufactured according to a conventional method

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 반도체소자의 커패시터 제조방법을 나타낸 공정단면도2A through 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

20 : 실리콘기판 21 : 소오스영역20 silicon substrate 21 source region

22 : 콘택플러그 23 : 층간절연막22 contact plug 23 interlayer insulating film

24 : 베리어메탈층 25 : 커패시터 하부전극24: barrier metal layer 25: capacitor lower electrode

26 : 커패시터 유전체막 27 : 커패시터 상부전극26: capacitor dielectric film 27: capacitor upper electrode

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 반도체소자의 커패시터 제조방법은 기판상에 콘택홀을 구비한 층간절연막을 형성하는 공정, 상기 콘택홀내에 콘택플러그를 형성하는 공정, 상기 콘택플러그와 접하도록 이에 인접한 상기 층간절연막상에 커패시터 하부전극을 형성하는 공정, 상기 커패시터 하부전극 상에 커패시터 유전체막을 형성하는 공정, 산화성 기체에 환원성 기체를 첨가한 열처리 공정을 진행하는 공정, 상기 커패시터 유전체막 상에 커패시터 상부전극을 형성하는 공정을 포함함을 특징으로 한다.The capacitor manufacturing method of the semiconductor device of the present invention for achieving the above object is a step of forming an interlayer insulating film having a contact hole on a substrate, a step of forming a contact plug in the contact hole, so as to contact the contact plug Forming a capacitor lower electrode on the adjacent interlayer insulating film, forming a capacitor dielectric film on the capacitor lower electrode, performing a heat treatment process in which a reducing gas is added to an oxidizing gas, and an upper capacitor on the capacitor dielectric film. It characterized in that it comprises a step of forming an electrode.

첨부 도면을 참조하여 본 발명 반도체소자의 커패시터 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention will be described.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 반도체소자의 커패시터 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.2A through 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.

본 발명은 커패시터 물질 처리시 환원성 가스를 첨가하여 잔류하는 카본 불순물을 제거하는데 그 요지가 있는 것이다.The present invention has the gist of removing residual carbon impurities by adding a reducing gas when treating a capacitor material.

상기와 같은 본 발명 반도체 소자의 커패시터 제조방법은 도 2a에 도시한 바와 같이 액티브영역과 필드영역이 정의된 실리콘기판(20)의 필드영역에 필드절연막을 형성하고, 액티브영역의 일영역에 소오스영역(21)과 드레인영역 및 게이트전극을 구비한 트랜지스터를 형성한다.As described above, in the capacitor manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, a field insulating film is formed in the field region of the silicon substrate 20 in which the active region and the field region are defined, and the source region is formed in one region of the active region. 21 and a transistor including a drain region and a gate electrode are formed.

이후에 트랜지스터를 포함하는 전영역에 층간절연막(22)을 증착한다.Thereafter, the interlayer insulating film 22 is deposited on the entire region including the transistor.

그리고 소오스영역(21)이 드러나도록 층간절연막(22)을 식각해서 콘택홀을 형성한다.The interlayer insulating layer 22 is etched to expose the source region 21 to form contact holes.

다음에 콘택홀내에 폴리실리콘이나 텅스텐 물질을 이용하여 콘택플러그(23)를 형성한다.Next, the contact plug 23 is formed in the contact hole using polysilicon or tungsten material.

이후에 콘택플러그(23)와 접하도록 콘택플러그(23) 및 그에 인접한 층간절연막(22)상에 베리어메탈층(24)을 형성한다.Thereafter, the barrier metal layer 24 is formed on the contact plug 23 and the interlayer insulating layer 22 adjacent to the contact plug 23.

그리고 베리어메탈층(24)을 감싸도록 각 커패시터 형성 노드에 커패시터 하부전극(25)을 형성한다.The capacitor lower electrode 25 is formed at each capacitor formation node to surround the barrier metal layer 24.

상기에서 커패시터 하부전극(25)은 컵(Cup) 모양이나 실린더(Cylinder) 모양으로 형성할 수 있고, 금속 또는 금속산화물을 이용하여 형성할 수 있다.The capacitor lower electrode 25 may be formed in a cup shape or a cylinder shape, and may be formed using a metal or a metal oxide.

이때 커패시터 하부전극을 형성하기 위한 물질은 Ta이나 Ti나 Al을 포함하고 있으며 화학기상증착법이나 졸-겔법을 이용하여 증착한다.At this time, the material for forming the capacitor lower electrode includes Ta, Ti or Al, and is deposited by chemical vapor deposition or sol-gel method.

다음에 도 2b에 도시한 바와 같이 커패시터 하부전극(25)을 포함한 전면에커패시터 유전체막(26)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 2B, a capacitor dielectric film 26 is formed on the entire surface including the capacitor lower electrode 25.

그리고 도 2c에 도시한 바와 같이 산화성 분위기 기체인 산소(O2)나 아산화질소(N2O)를 주입해서 열처리를 진행한다.As shown in FIG. 2C, heat treatment is performed by injecting oxygen (O 2 ) or nitrous oxide (N 2 O), which are oxidative atmosphere gases.

상기에서와 같이 산화성 가스를 포함한 기체로 열처리를 진행할 때 환원성 기체를 첨가하여 진행한다.As described above, when the heat treatment is performed with a gas containing an oxidizing gas, a reducing gas is added to proceed.

상기와 같이 환원성 기체를 첨가하므로써 잔류하는 카본(carbon) 불순물을 제거하기에 용이하고, 금속 하부전극을 통한 산소의 침투를 억제할 수 있다.By adding a reducing gas as described above, it is easy to remove residual carbon impurities, and the penetration of oxygen through the metal lower electrode can be suppressed.

즉, 환원성 기체를 첨가할 경우 산화용 가스인 산소와 반응하여 OH-기를 형성하게 되고, 이것은 산소원자에 비해서 카본 불순물이나 커패시터 물질내의 양이온 결손에 따른 결함을 제거하기에 용이하므로 누설전류를 감소시키고, 축전용량을 증가시킬 수 있을 뿐만아니라, 산소이온 자체보다 산화속도가 빠른 장점이 있다.In other words, when the reducing gas is added, it reacts with oxygen, which is an oxidizing gas, to form an OH- group, which reduces the leakage current because it is easier to remove defects due to carbon impurities or cation defects in the capacitor material compared to oxygen atoms. In addition to increasing the capacitance, the oxidation rate is faster than the oxygen ion itself.

그리고 커패시터 하부전극(25)을 통한 산소이온의 침투를 억제할 수 있으므로 커패시터 하부전극(25)의 산화 및 그 아래에 존재하는 콘택플러그(22)가 산화되는 것을 억제할 수 있다.Since the penetration of oxygen ions through the capacitor lower electrode 25 can be suppressed, the oxidation of the capacitor lower electrode 25 and the contact plug 22 existing thereunder can be suppressed.

상기에서와 같이 환원성 가스를 첨가하면 금속/절연체/금속 구조를 복잡하게 변경함 없이 반응성 기체를 통하여 쉽게 형성시킬 수 있고, 집적도의 증가없이 좁은 셀 영역에서 유효면적의 확대가 요구되는 디램과 에프램(FeRAM)에서 쉽게 축전용량을 확보할 수 있고 또한 공정 안정성을 향상시킬 수 있다.As described above, the addition of a reducing gas enables the formation of a metal / insulator / metal structure easily through a reactive gas without complicated modifications. Capacitance can be easily secured in (FeRAM), and process stability can be improved.

상기에서 환원성 기체를 첨가한 열처리공정시 작용 압력은 0.001~1000 torr이고, 환원성 가스는 H나 N이나 S를 포함하고 있으며, 환원성 가스의 산화성 가스에 비한 조성비는 0.1~70%가 되도록 하고, 처리시간은 1~10000초이고, 플라즈마 파워는 10~2000W를 가한다.In the heat treatment process in which the reducing gas is added, the working pressure is 0.001 to 1000 torr, the reducing gas contains H, N or S, and the composition ratio of the reducing gas to the oxidizing gas is 0.1 to 70%, and the treatment is performed. The time is 1 to 10000 seconds and the plasma power is 10 to 2000W.

이후에 도 2d에 도시한 바와 같이 커패시터 유전체막(26)을 감싸도록 그 상부에 커패시터 상부전극(27)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2D, a capacitor upper electrode 27 is formed on the capacitor dielectric layer 26 so as to surround the capacitor dielectric layer 26.

상기에서 커패시터 하부전극(25)과 커패시터 상부전극(27)은 금속을 이용하여 형성하여 금속/절연체/금속(Metal/Insulator/Metal:MIM) 구조의 커패시터를 형성할 수 있다.The capacitor lower electrode 25 and the capacitor upper electrode 27 may be formed using a metal to form a capacitor having a metal / insulator / metal (MIM) structure.

상기와 같은 본 발명 반도체소자의 커패시터 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.The capacitor manufacturing method of the semiconductor device of the present invention as described above has the following effects.

커패시터 유전체막을 형성한 후에 열처리공정을 진행할 때 산화성 가스에 환원성 가스를 첨가하여 진행하므로 잔류하는 카본 불순물 제거가 용이하고, 커패시터 하부전극을 통한 산소의 침투를 억제할 수 있다.When the heat treatment process is performed after the capacitor dielectric film is formed, a reducing gas is added to the oxidizing gas so that the remaining carbon impurities can be easily removed, and the penetration of oxygen through the capacitor lower electrode can be suppressed.

상기와 같이 환원성 가스를 첨가할 경우 산소원자에 비해 카본 불순물이나 커패시터 하부전극내 양이온 결손에 따른 결함 제거를 효율적으로 할 수 있으므로 누설전류를 감소시키고 축전용량을 증가시킬 수 있다.When the reducing gas is added as described above, defects due to carbon impurities or cation defects in the lower electrode of the capacitor can be removed more efficiently than oxygen atoms, thereby reducing leakage current and increasing capacitance.

뿐만아니라 커패시터 하부전극을 통한 산소의 침투를 억제하여 커패시터 물질 내의 산화를 막아서 공정의 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, the stability of the process can be improved by preventing the penetration of oxygen through the capacitor lower electrode to prevent oxidation in the capacitor material.

Claims (6)

기판상에 콘택홀을 구비한 층간절연막을 형성하는 공정,Forming an interlayer insulating film having contact holes on the substrate; 상기 콘택홀내에 콘택플러그를 형성하는 공정,Forming a contact plug in the contact hole; 상기 콘택플러그와 접하도록 이에 인접한 상기 층간절연막상에 커패시터 하부전극을 형성하는 공정,Forming a capacitor lower electrode on the interlayer insulating film adjacent to the contact plug, 상기 커패시터 하부전극 상에 커패시터 유전체막을 형성하는 공정,Forming a capacitor dielectric film on the capacitor lower electrode; 산화성 기체에 환원성 기체를 첨가한 열처리 공정을 진행하는 공정,Performing a heat treatment step of adding a reducing gas to the oxidizing gas, 상기 커패시터 유전체막 상에 커패시터 상부전극을 형성하는 공정을 포함함을 특징으로 하는 반도체소자의 커패시터 제조방법.And forming a capacitor upper electrode on the capacitor dielectric layer. 제1항에 있어서, 상기 환원성 기체를 첨가한 열처리 공정에서 환원성 기체는 H나 N이나 S를 포함하는 기체를 사용함을 특징으로 하는 반도체소자의 커패시터 제조방법.The method of claim 1, wherein the reducing gas is a gas containing H, N, or S in the heat treatment step to which the reducing gas is added. 제1항에 있어서, 상기 환원성 기체를 첨가한 열처리 공정시에 작용압력은 0.001~1000 torr가 되도록 함을 특징으로 하는 반도체소자의 커패시터 제조방법.The method of claim 1, wherein the working pressure is 0.001 to 1000 torr during the heat treatment process to which the reducing gas is added. 제1항에 있어서, 상기 환원성 기체를 첨가한 열처리 공정시에 열처리 시간은 1~10000초가 되도록 함을 특징으로 하는 반도체소자의 커패시터 제조방법.The method of claim 1, wherein the heat treatment time is 1 to 10000 seconds during the heat treatment process to which the reducing gas is added. 제1항에 있어서, 상기 환원성 기체를 첨가한 열처리 공정시에 플라즈마 파워는 10~2000W가 되도록 함을 특징으로 하는 반도체소자의 커패시터 제조방법.The method of claim 1, wherein the plasma power is 10 to 2000W during the heat treatment process to which the reducing gas is added. 제1항에 있어서, 상기 커패시터 하부전극/커패시터 유전체막/커패시터 상부전극은 금속/절연체/금속(Metal/Insulator/Metal:MIM)구조로 형성하는 것을 포함함을 특징으로 하는 반도체소자의 커패시터 제조방법.The method of claim 1, wherein the capacitor lower electrode / capacitor dielectric layer / capacitor upper electrode comprises a metal / insulator / metal (MIM) structure. .
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